(57)【要約】【課題】  III−Ｖ族窒化物系半導体のエピタキシャル成長に好適な所定のオフ角を有するIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板を製造する方法を提供する。【解決手段】  Ｃ面からａ軸方向またはｍ軸方向に０．０７°〜２０°傾いた表面を持つサファイア基板を用い（工程Ａ）、当該基板上にIII−Ｖ族窒化物系半導体単結晶のエピタキシャル層を成長させた後（工程Ｂ）、エピタキシャル層を前記異種基板から剥離させ（工程Ｃ）、所望のオフ角を有するIII−Ｖ族窒化物系半導体の自立基板を得る。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
六方晶系の結晶構造を有するIII−Ｖ族窒化物系半導体単結晶からなる自立基板であって、表面をＣ面からａ軸方向に０．０９°以上、２４°以下の範囲で傾けることによりオフ角を付けたことを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板。
【請求項２】
六方晶系の結晶構造を有するIII−Ｖ族窒化物系半導体単結晶からなる自立基板であって、表面をＣ面からｍ軸方向に０．０９°以上、２４°以下の範囲で傾けることによりオフ角を付けたことを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板。
【請求項３】
前記オフ角の面内ばらつきが、±１°以内で、かつその傾きの最小値が０．０９°以上、最大値が２４°以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板。
【請求項４】
前記III−Ｖ族窒化物系半導体単結晶の組成がInxGayAl1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されることを特徴とする請求項１又は２記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板。
【請求項５】
低指数面から特定の方向に傾いた表面を持つ異種基板を用い、当該異種基板上にIII−Ｖ族窒化物系半導体単結晶のエピタキシャル層を成長させた後、前記エピタキシャル層を前記異種基板から剥離させ、所望のオフ角を有するIII−Ｖ族窒化物系半導体の自立基板を得ることを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板の製造方法。
【請求項６】
前記異種基板がＣ面から特定の方向に傾いた表面を持つサファイア基板であることを特徴とする請求項５記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板の製造方法。
【請求項７】
前記特定の方向が、サファイアのｍ軸方向であることを特徴とする請求項６記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板の製造方法。
【請求項８】
前記特定の方向が、サファイアのａ軸方向であることを特徴とする請求項６記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板の製造方法。
【請求項９】
前記異種基板がＣ面からｍ軸方向に０．０７°以上、２０°以下の範囲で傾いた表面を持つサファイア基板であることを特徴とする請求項５記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板の製造方法。
【請求項１０】
前記異種基板がＣ面からａ軸方向に０．０７°以上、２０°以下の範囲で傾いた表面を持つサファイア基板であることを特徴とする請求項５記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板の製造方法。
【請求項１１】
オフ角を有するサファイア基板上に単結晶窒化ガリウム膜を成長させた後、更に金属膜を堆積する工程と、
該金属膜を堆積した基板を水素ガス又は水素化物ガスを含む雰囲気中で熱処理し、窒化ガリウム膜中に空隙を形成する工程と、
その上にオフ角を有する単結晶窒化ガリウムを堆積する工程と、
該単結晶窒化ガリウムから前記基板を剥離し、オフ角を有する自立した窒化ガリウム基板を得る工程と
を備えることを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板の製造方法。
【請求項１２】
六方晶系の結晶構造を有し、表面をＣ面からａ軸又はｍ軸方向に傾けることによりオフ角を付けたIII−Ｖ族窒化物系半導体からなる自立基板上に、ホモエピタキシャル成長されたIII−Ｖ族窒化物系半導体層を設けたことを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ族窒化物系半導体自立基板及びその製造方法並びにIII−Ｖ族窒化物系半導体に関し、更に詳しくは、結晶欠陥の発生が少なく平坦な窒化物系半導体層をエピタキシャル成長させるためのIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板及びその製造方法、並びに該半導体自立基板上に窒化物系半導体層をエピタキシャル成長させたIII−Ｖ族窒化物系半導体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡｌＮ）等の窒化物系半導体材料は、禁制帯幅が充分大きく、バンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子への適用が盛んに検討されている。また、電子の飽和ドリフト速度が大きいこと、ヘテロ接合による２次元キャリアガスの利用が可能なこと等から、電子素子への応用も期待されている。
【０００３】
既に世の中に広く普及しているシリコン（Ｓi）や砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等は、それぞれＳｉ基板、ＧａＡｓ基板といった同種の材料からなる基板の上に、デバイスを作るためのエピタキシャル成長層をホモエピタキシャル成長させて、使用されている。同種基板上のホモエピタキシャル成長では、異種基板上のヘテロエピタキシャル成長に較べて、成長の初期からステップフローモードで結晶成長が進行しやすいため、結晶欠陥の発生が少なく、平坦なエピタキシャル成長表面が得られやすい。更に、ＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＩｎＰなどの混晶層を成長させる場合は、エピ層の表面モフォロジが荒れやすくなる傾向が見られるが、下地基板の面方位を基準となる低指数面から、特定方向に故意に傾ける（これを一般にオフを付けると称する）ことで、結晶欠陥の発生が少なく、平坦なエピタキシャル成長表面を得ることができている。オフを付ける方向やその角度は、その上に成長するエピの材質や成長条件によって最適値があり、全ての材料基板に共通の最適オフ方向、オフ角というものは存在せず、例えばＧａＡｓ基板であれば、(001)面を基準に[110]方向へ傾けたものや[1-10]方向へ傾けたものが使われており、またその角度も０°から２０°程度まで色々なものが使われている。
【０００４】
一方、窒化物系半導体は、バルク結晶成長が難しく、窒化物のエピタキシャル成長が検討されはじめた当初は、ＧａＮの自立単結晶基板は存在していなかった。このため、異種基板である単結晶サファイア下地基板の上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や分子線気相成長法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の気相成長法で、窒化物系半導体結晶をヘテロエピタキシャル成長させる方法が開発され、現在でも青色ＬＥＤの製造等に用いられている。
【０００５】
しかし、異種基板上でのヘテロエピタキシャル成長では、成長した結晶中に、下地基板との結晶格子の不整合に起因する転位（欠陥）が多数発生してしまう。このため、レーザーダイオード等の結晶欠陥に敏感な素子を作成すると、発光出力が低くなり、素子寿命が短くなるという問題が発生していた。そこで、近年、サファイアとＧａＮの格子定数差に起因して発生する欠陥の密度を低減する方法として、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral 
Overgrowth:例えば、非特許文献１参照）や、ＦＩＥＬＯ（Facet-initiated epitaxial lateral overgrowth：例えば、非特許文献２参照）、ペンデオエピタキシー（例えば、非特許文献３参照）といった成長技術が報告された。これらの成長技術は、サファイア等の基板上に成長させたＧａＮ上に、ＳｉＯ２等でパターニングされたマスクを形成し、マスクの窓部からさらにＧａＮ結晶を選択的に成長させて、マスク上をＧａＮがラテラル成長で覆うようにすることで、下地結晶からの転位の伝播を防ぐものである。これらの成長技術の開発により、ＧａＮ中の転位密度は１０７ｃｍ−２台程度にまで、飛躍的に低減させることができるようになった。
【０００６】
このような転位密度の少ないＧａＮを自立基板として製造する方法がいろいろと提案されている。現在最も実用化が進んでいるのが、、転位密度を低減したＧａＮ層を厚くエピ成長させ、成長後に下地から剥離して、ＧａＮ層を自立したＧａＮ基板として用いる方法である。たとえば、前述のＥＬＯ技術を用いてサファイア基板上にＧａＮ層を形成した後、サファイア基板をエッチング等により除去し、ＧａＮ自立基板を得ることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、サファイア等の基板上で、網目構造のＴｉＮ薄膜を介してＧａＮを成長することで、下地基板とＧａＮ層の界面にボイドを形成し、ＧａＮ基板の剥離と低転位化を同時に可能にした技術（ＶＡＳ：Void-Assisted Separation）も開示されている（例えば、非特許文献４、特許文献２参照）。
【０００８】
更に、エッチング等で除去が可能なＧａＡｓ基板上に、パターニングしたＳｉＮ等のマスクを用いてＧａＮを成長させ、結晶表面に故意にファセット面で囲まれたピットを複数形成し、前記ピットの底部に転位を集積させることで、その他の領域を低転位化する技術（ＤＥＥＰ：Dislocation Elimination by the Epi-growth with inverted-Pyramidal 
pits）も開示されている（非特許文献５、特許文献３）。
【特許文献１】特開平１１−２５１２５３号公報
【特許文献２】特開２００３−１７８９８４号公報
【特許文献３】特開２００３−１６５７９９号公報
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７１(１８)２６３８（１９９７）
【非特許文献２】Ｊｐａｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３８，Ｌ１８４（１９９９）
【非特許文献３】ＭＲＳ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．  ４Ｓ１，Ｇ３．３８（１９９９）
【非特許文献４】Ｙ．Ｏｓｈｉｍａ  ｅｔ．ａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４２（２００３）ｐｐ．Ｌ１−Ｌ３
【非特許文献５】Ｋ．Ｍｏｔｏｋｉ  ｅｔ．ａｌ．，  Ｊｐｎ．Ｊ．  Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．４０（２００１）ｐｐ．Ｌ１４０−Ｌ１４３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記のようなＧａＮ自立基板を用いて、その上にＧａＮ系のエピタキシャル層を製造すると、エピタキシャル成長時に表面モフォロジが平坦化しずらく、平坦性、均一性、再現性の高いエピタキシャル成長が困難であった。
【００１０】
そこで、その上に成長する窒化物系半導体系エピ層の表面モフォロジを平坦化するために、ＧａＡｓ基板のような他の化合物半導体基板と同様に、オフをつけたＧａＮ自立基板を用いることが考えられる。しかし、窒化物系半導体をエピタキシャル成長させる際に最適なＧａＮ自立基板のオフ方向、オフ角度がどれくらいになるかがそもそも不明である。しかも、所定のオフ角が判明したとしても、バルク結晶成長させたインゴットからウェハを切り出すＧａＡｓ等の基板とは異なり、ヘテロエピタキシャル成長した厚膜結晶を剥離させて製造するＧａＮ自立基板にあっては、所望のオフ角を有する基板を再現性良く製造する方法は未だ開発されていない。
【００１１】
従って、本発明は、上記事情に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、III−Ｖ族窒化物系半導体のエピタキシャル成長に好適な所定のオフ角を有するIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板、及びそのようなオフ角を有する自立基板を再現性良く製造する方法、並びにそのような自立基板を用いて平坦性、均一性、再現性の高いIII−Ｖ族窒化物系半導体をエピタキシャル成長させたIII−Ｖ族窒化物系半導体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明のIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板は、六方晶系の結晶構造を有するIII−Ｖ族窒化物系半導体単結晶からなる自立基板であって、表面をＣ面からａ軸方向に０．０９°以上、２４°以下の範囲で傾けることによりオフ角を付けたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板は、六方晶系の結晶構造を有するIII−Ｖ族窒化物系半導体単結晶からなる自立基板であって、表面をＣ面からｍ軸方向に０．０９°以上、２４°以下の範囲で傾けることによりオフ角を付けたことを特徴とする。
【００１４】
前記表面をＣ面からａ軸又はｍ軸方向に傾ける範囲は、０．２°以上、２０°以下であることがより望ましい。
【００１５】
更に、前記オフ角の面内ばらつきが±１°以内で、かつその傾きの最小値が０．０９°以上、最大値が２４°以下とすることが望ましく、前記オフ角の面内ばらつきが±０．５°以内で、かつその傾きの最小値が０．２°以上、最大値が２０°以下とすることがより望ましい。
【００１６】
前記III−Ｖ族窒化物系半導体単結晶の組成は、InxGayAl1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるものとすることができる。
【００１７】
また、上記目的を達成するため、本発明のIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板の製造方法は、低指数面から特定の方向に傾いた表面を持つ異種基板を用い、当該異種基板上にIII−Ｖ族窒化物系半導体単結晶のエピタキシャル層を成長させた後、前記エピタキシャル層を前記異種基板から剥離させ、所望のオフ角を有するIII−Ｖ族窒化物系半導体の自立基板を得ることを特徴とする。
【００１８】
前記異種基板をＣ面から特定の方向に傾いた表面を持つサファイア基板とすることができ、更に、前記特定の方向を、サファイアのｍ軸方向又はａ軸方向にすることができる。
【００１９】
更に、前記異種基板をＣ面からｍ軸方向又はａ軸方向に０．０７°以上、２０°以下の範囲で傾いた表面を持つサファイア基板とすることが望ましく、０．２以上、１６°以下とすることがより望ましい。
【００２０】
また、本発明のIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板の製造方法は、オフ角を有するサファイア基板上に単結晶窒化ガリウム膜を成長させた後、更に金属膜を堆積する工程と、該金属膜を堆積した基板を水素ガス又は水素化物ガスを含む雰囲気中で熱処理し、窒化ガリウム膜中に空隙を形成する工程と、その上にオフ角を有する単結晶窒化ガリウムを堆積する工程と、該単結晶窒化ガリウムから前記基板を剥離し、オフ角を有する自立した窒化ガリウム基板を得る工程とを備えることを特徴とする。
【００２１】
更に、上記目的を達成するため、本発明のIII−Ｖ族窒化物系半導体は、六方晶系の結晶構造を有し、表面をＣ面からａ軸又はｍ軸方向に傾けることによりオフ角を付けたIII−Ｖ族窒化物系半導体からなる自立基板上に、ホモエピタキシャル成長されたIII−Ｖ族窒化物系半導体層を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板によれば、当該自立基板上に窒化物系半導体をエピタキシャル成長させた際に、平坦性、均一性、再現性の高いエピタキシャル成長層を得ることができる。
【００２３】
また、本発明のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法によれば、好適なオフのついたIII−Ｖ族窒化物系半導体基板を、既存の基板製造工程となんら変わらない簡便な方法で、再現良く提供することができる。
【００２４】
更に、本発明のIII−Ｖ族窒化物系半導体によれば、自立基板上に平坦性、均一性、再現性の高いエピタキシャル成長層を形成できるので、エピタキシャル成長工程、デバイスプロセス工程の双方の工程において製造歩留まりを高めることが可能になると共に、設計通りの特性を有する発光素子や電子素子を製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（下地基板とその上に成長するエピタキシャル層との方位関係）
まず、本発明者は、各種下地基板上にIII−Ｖ族窒化物系半導体結晶をＨＶＰＥ法で厚く成長させ、これを下地基板から剥離してIII−Ｖ族窒化物系半導体の自立基板とし、下地基板のオフ方向、角度と、成長結晶のオフ方向、角度を調べた。その結果、（１）剥離した成長結晶の結晶軸は、下地基板のオフ方向を反映した方向に常に傾いてエピタキシャル成長すること、（２）成長結晶のオフ角度は、必ずしも下地基板のオフ角度とは一致せず、下地基板の材質や結晶成長条件によって下地基板のオフ角の０．８〜１．５倍の大きさのオフ角となること、（３）成長結晶のオフ方向、角度は、同一条件の成長であれば、再現性の良いことを見出した。例えば、(0001)面サファイア基板上にＧａＮをエピタキシャル成長させると、成長結晶の表面も(0001)面になるが、サファイア基板のｍ軸＜1-100＞方向にＧａＮのａ軸＜11-20＞方向が揃うような方位の関係が現れる。
図１に、このようなサファイア基板１とＧａＮ３の方位関係について示す。
【００２６】
サファイア基板にオフ基板を用いた場合、その上に成長するＧａＮ層の結晶軸は、下地のサファイア基板のオフ方向と同じ向きに傾く。従って、サファイア基板をｍ軸方向にオフさせれば、ａ軸方向にオフの付いたＧａＮ基板を製造することができる。逆に、サファイア基板をａ軸方向にオフさせれば、ｍ軸方向にオフの付いたＧａＮ基板を製造することができる。
【００２７】
成長するＧａＮ層のオフ角の大きさは、下地のサファイア基板と必ずしも一致せず、成長条件により、０．８〜１．５倍程度変化して現れる。基板を剥離した後のＧａＮの自立基板のオフ角は、基板に反りを生じることにより更に変化し、面内のばらつきが発生するが、実用的な基板の製造においては、本ばらつきの大きさは基板のオフ角度に対して問題になるほど大きくはない。従って、結晶成長条件に合わせて、下地基板のオフ方向、オフ角度を適当に選ぶことにより、所望のオフ方向、オフ角度を有するＧａＮ自立基板を再現良く製造することができる。
【００２８】
（自立基板のオフ角）
次に、本発明者は、オフ角の異なる市販の単結晶サファイア基板上ＧａＮ結晶をＨＶＰＥ法で厚く成長させた後、単結晶サファイア基板から剥離してＧａＮ自立基板を作製し、得られたＧａＮ自立基板の結晶性を評価した。その結果、後述する実施例１からも明らかな通り、サファイア基板のオフ角が２０°を超えると、成長結晶の一部に方位の揃わない結晶核の発生が観察されるようになり、自立基板の単結晶性が損なわれることを見出した。このため、サファイア基板上に結晶性の良いＧａＮ単結晶が成長できるのはサファイア基板のオフ角が２０°以下の場合であり、２０°オフのサファイア基板を用いて得られるＧａＮ自立基板のオフ角は、その成長条件に依存するものの、最大でも２４°であった。従って、結晶性の良いＧａＮ自立基板とするためには、そのオフ角は２４°以下であることが望ましい。
【００２９】
更に、本発明者は、オフ角の異なるＧａＮ基板を多数製作し、その上にＭＯＶＰＥ法でＧａＮのホモエピタキシャル成長を行って、成長層の表面モフォロジを調査した。その結果、後述する実施例２からも明らかな通り、ＧａＮ基板のオフ角が０．０９°よりも小さくなると、エピタキシャル成長表面を顕微鏡で観察した際に、５０〜２００μｍ程度の大きさの六角形をした微小な凹凸が多数出現するようになることを発見した。従って、ＧａＮ自立基板では、０．０９°以上のオフ角を有していることが望ましい。また、上記微小な凹凸はＧａＮ基板のオフ角が０．２°よりも小さくなる頃から発生の徴候が見え始めることから、ＧａＮ自立基板は０．２°以上のオフ角を有していることがより望ましい。
【００３０】
ＧａＮ自立基板のオフ角の面内ばらつきは、±１°以内で、かつその傾きの最小値が０．０９°以上、最大値が２４°以下であることが望ましい。これは、基板面内のオフ角のばらつきが±１°を超えると、その上に成長するエピの品質、特に混晶層を成長した際の組成の面内均一性、膜厚均一性が大きく乱れ、デバイス製造歩留りが極端に悪くなるからである。最小値、最大値を限定する理由に関しては、前述の通りである。
【００３１】
（下地基板のオフ角）
本発明者の研究結果により、０．０９°以上のオフ角を有するＧａＮ自立基板を作製するには、少なくとも、０．０７°以上のオフ角のついたサファイア基板を用いる必要がある。一方、上述のように、サファイア基板のオフ角が大きくなりすぎると、その上にＧａＮの厚膜結晶成長を行うことが難しくなるため、結晶性の良い単結晶ＧａＮ自立基板を得るためにはサファイア基板のオフ角は少なくとも２０°以下でなければならない。従って、下地基板がサファイア基板の場合、サファイアのＣ面から０．０７°以上、２０°以下の範囲で傾いた表面を持つ基板であることが望ましい。
【００３２】
なお、基板面内の結晶軸の傾きは、Ｘ線回折測定により求めた値を用いて評価することができる。
【００３３】
（自立基板の製造方法）
以下、図２を参照しつつ、異種基板を用いてIII−Ｖ族窒化物系半導体の自立基板を製造する方法について説明する。
【００３４】
まず、異種基板として、サファイアのＣ面からａ軸方向またはｍ軸方向に０．０７°〜２０°の範囲で傾いた表面を持つサファイア基板を用意する（工程Ａ）。
【００３５】
次いで、このサファイア基板上に、III−Ｖ族窒化物系半導体をエピタキシャル成長させる（工程Ｂ）。III−Ｖ族窒化物系半導体は、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成で表される半導体が挙げられる。このうち、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の半導体が好ましく用いられる。これは強度、製造安定性等、基板材料に求められる特性を満足するからである。
【００３６】
III−Ｖ族窒化物系半導体中でも、結晶成長後にエピタキシャル成長層を異種基板から剥離してエピタキシャル成長させた層の自立基板を作成する場合は、結晶成長速度の速いＨＶＰＥ法を用いることが好ましい。
【００３７】
次いで、得られたIII−Ｖ族窒化物系半導体エピタキシャル成長層をサファイア基板から剥離する（工程Ｃ）。サファイア基板の剥離方法としては、ＶＡＳ法やエッチングによる方法を適用することができる。
【００３８】
このようにして、自立したIII−Ｖ族窒化物系半導体基板（ＧａＮ自立基板）が得られる。ここで、前述したように、異種基板として、サファイアのＣ面からａ軸方向に０．０７°〜２０°の範囲で傾いた表面を持つサファイア基板を用いた場合は、オフ角がＣ面からｍ軸方向に０．０９°〜２４°の範囲で傾いたＧａＮ自立基板が得られる。一方、サファイアのＣ面からｍ軸方向に０．０７°〜２０°の範囲で傾いた表面を持つサファイア基板を用いた場合は、オフ角がＣ面からａ軸方向に０．０９°〜２４°の範囲で傾いたＧａＮ自立基板が得られる。
【００３９】
図３（ａ）、（ｂ）に、得られるＧａＮ自立基板の一例を示す。（ａ）はオフ角θがＣ面からａ軸方向に０．０９°〜２４°の範囲で傾いたＧａＮ自立基板１１であり、（ｂ）はオフ角θがＣ面からｍ軸方向に０．０９°〜２４°の範囲で傾いたＧａＮ自立基板１３である。
【００４０】
本発明において、自立基板とは、自らの形状を保持でき、ハンドリングに不都合が生じない程度の強度を有する基板をいう。このような強度を具備するようにするため、自立基板の厚みは２００μｍ以上であることが好ましい。また素子形成後の劈開の容易性等を考慮し、自立基板の厚さを１ｍｍ以下とするのが好ましい。１ｍｍを超えると劈開が困難となって劈開面に凹凸が生じ、その結果、たとえば半導体レーザ等に適用した場合、反射のロスによるデバイス特性の劣化が問題となるからである。
【００４１】
最後に、基板に反りがあると、基板上にデバイス構造のエピタキシャル成長を行う際に、基板の裏面とサセプタとが密着せず、このため基板を加熱した際の基板への熱の伝わり方が不均一になって、基板面内で温度分布が生じてしまう。基板面内で温度に差があると、エピタキシャル成長を行う際に、成長膜厚、組成、不純物濃度等にばらつきが生じてしまい、面内で均一な成長を行うことができず、ひいてはデバイス特性のばらつきを大きくする要因となる。以上の理由により、
【実施例１】
【００４２】
（ＧａＮ自立基板の製造）
ＧａＮの自立基板を図４に示す製造工程により製造した。
まず、ｍ軸方向にそれぞれ０．１°、０．５°、１°、３°、８°、１５°、２０°、２１°のオフを有する市販の直径２インチの単結晶サファイアＣ面基板２１を用意した（工程ａ）。
【００４３】
次いで、サファイア基板２１上に、ＭＯＶＰＥ法で、ＴＭＧとＮＨ３を原料として、アンドープＧａＮ層２２を３００ｎｍ成長させた（工程ｂ）。このＧａＮエピ基板上に、Ｔｉ薄膜２３を２０ｎｍ蒸着し（工程ｃ）、これを電気炉に入れて、ＮＨ３を２０％混合したＨ２の気流中で、１０５０℃×２０ｍｉｎの熱処理を施し、Ｔｉ薄膜２３を網目状の穴形成ＴｉＮ層２５に変化させると同時に、ＧａＮ層２２をボイド形成ＧａＮ層２４とした（工程ｄ）。
【００４４】
これをＨＶＰＥ炉に入れ、その上にＧａＮ層２６を５００μｍ堆積した（工程ｅ）。成長に用いた原料はＮＨ３とＧａＣｌで、キャリアガスとしてＮ２を用いた。成長条件は、常圧、基板温度１０４０℃である。ＨＶＰＥの結晶成長は、原料であるＧａＣｌの供給量を変えることで、成長速度を６０μｍ／ｈ、１００μｍ／ｈ、１２０μｍ／ｈ、１５０μｍ／ｈ、１８０μｍ／ｈと変えて複数回行った。ＧａＮ層２６は成長終了後の降温過程においてボイド形成ＧａＮ層２４を境にサファイア基板２１から剥離し（工程ｆ）、ＧａＮの自立基板３０とした（工程ｇ）。
【００４５】
作製したＧａＮ基板の結晶軸の傾きをＸ線回折測定により求め、下地のサファイア基板との相関を調べた。ＧａＮ基板の結晶軸は、下地サファイア基板のオフ方向を反映して、すべてａ軸方向にオフしていた。いずれの成長条件においても、下地サファイア基板のオフ角度とＧａＮ基板のオフ角度は、良い直線的な相関を示したが、２１°オフのサファイア基板を用いた場合のみ、いずれの条件においてもきれいな単結晶ＧａＮを成長することはできなかった。
【００４６】
図５に、サファイア基板のオフ角とＧａＮ自立基板のオフ角との関係を示す。図中の成長条件１及び２は、ＧａＮ基板のオフ角が、下地サファイアのオフ角よりもプラス側とマイナス側に最も大きく振れた時のデータで、成長条件１の時の成長速度が１８０μｍ／ｈ、成長条件２の時の成長速度が６０μｍ／ｈである。
【００４７】
図５の結果から、下地サファイア基板のオフ角度を２０°以下の範囲にて精密に制御することで、所望のオフ角を持ったきれいなＧａＮ基板を得ることができることが確認できた。
【実施例２】
【００４８】
（ＧａＮ自立基板にＧａＮ層を形成）
実施例１で作製した、オフ角の異なるＧａＮ自立基板の表裏面に鏡面研磨を施し、図６に示すように、ＧａＮ自立基板１１の上に、ＭＯＶＰＥ法で、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ３を原料として、アンドープＧａＮ層１５を４μｍ成長させた。ＭＯＶＰＥの成長圧力は常圧とし、成長時の基板温度は１０５０℃とした。キャリアガスは、水素と窒素の混合ガスを用いた。結晶の成長速度は約４μｍ／ｈであった。
【００４９】
得られたエピタキシャルアンドープＧａＮ層１５の表面は、目視ではいずれも鏡面になっていたが、ノマルスキー顕微鏡で表面を観察したところ、オフ角が０．０９°よりも小さい基板上に成長したエピタキシャル層表面には、直径５０〜２００μｍ程度の大きさの、六角形をした微小なヒロックが多数出現していた。一方、基板のオフ角が０．０９°以上の基板上に成長したエピタキシャル層表面には、ステップバンチングにより形成されたと思われる筋状のモフォロジが観察された。以上のことより、ＧａＮ自立基板１１は、０．０９°以上のオフ角を有していることが望ましい。
【００５０】
以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、これらは例示であり、それらの各プロセスの組合せ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００５１】
例えば、本実施形態では、異種基板としてサファイア基板を用いた例を説明したが、他にも、ＧａＡｓやＳｉ、ＺｒＢ２、ＺｎＯなどの従来ＧａＮ系エピ用基板として報告例のある基板を用いることができる。
【００５２】
また、自立基板は、デバイス作製の容易さの観点から、六方晶系のＣ面、特に化学的、機械的、熱的に安定なIII族面を表面に持つ基板であることが望ましいが、立方晶系の結晶であっても良く、また表面はＣ面以外の面、例えばＡ面やＲ面であっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】サファイアＣ面基板上に成長したＧａＮエピタキシャル成長層の結晶方位関係を示す図である。
【図２】本実施形態のIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板を製造する工程を説明するフローチャートである。
【図３】本実施形態のＧａＮ自立基板を示す断面図であり、（ａ）はオフ角θがＣ面からａ軸方向に０．０９°〜２４°の範囲で傾いたもの、（ｂ）はオフ角θがＣ面からｍ軸方向に０．０９°〜２４°の範囲で傾いたものである。
【図４】実施例１のＧａＮ自立基板を製造する工程を説明する模式図である。
【図５】本実施例におけるサファイア下地基板のオフ角の大きさと、ＧａＮ基板のオフ角の大きさの相関を調べた結果を示すグラフである。
【図６】実施例２において、ＧａＮ自立基板上にＧａＮ層を形成した構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  サファイア基板
３  ＧａＮ
１１  ＧａＮ自立基板
１３  ＧａＮ自立基板
１５  アンドープＧａＮ層
２１  サファイア層
２２  アンドープＧａＮ層
２３  Ｔｉ薄膜
２４  ボイド形成ＧａＮ層
２５  穴形成ＴｉＮ層
２６  ＧａＮ層
３０  ＧａＮ自立基板
【図１】
2005343713.tif 000003
【図２】
2005343713.tif 000004
【図３】
2005343713.tif 000005
【図４】
2005343713.tif 000006
【図５】
2005343713.tif 000007
【図６】
2005343713.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成16年6月15日(2004.6.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
更に、前記異種基板をＣ面からｍ軸方向又はａ軸方向に０．０７°以上、２０°以下の範囲で傾いた表面を持つサファイア基板とすることが望ましく、０．２°以上、１６°以下とすることがより望ましい。
【手続補正書】
【提出日】平成16年8月27日(2004.8.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
（自立基板のオフ角）
次に、本発明者は、オフ角の異なる市販の単結晶サファイア基板上にＧａＮ結晶をＨＶＰＥ法で厚く成長させた後、単結晶サファイア基板から剥離してＧａＮ自立基板を作製し、得られたＧａＮ自立基板の結晶性を評価した。その結果、後述する実施例１からも明らかな通り、サファイア基板のオフ角が２０°を超えると、成長結晶の一部に方位の揃わない結晶核の発生が観察されるようになり、自立基板の単結晶性が損なわれることを見出した。このため、サファイア基板上に結晶性の良いＧａＮ単結晶が成長できるのはサファイア基板のオフ角が２０°以下の場合であり、２０°オフのサファイア基板を用いて得られるＧａＮ自立基板のオフ角は、その成長条件に依存するものの、最大でも２４°であった。従って、結晶性の良いＧａＮ自立基板とするためには、そのオフ角は２４°以下であることが望ましい。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
最後に、基板に反りがあると、基板上にデバイス構造のエピタキシャル成長を行う際に、基板の裏面とサセプタとが密着せず、このため基板を加熱した際の基板への熱の伝わり方が不均一になって、基板面内で温度分布が生じてしまう。基板面内で温度に差があると、エピタキシャル成長を行う際に、成長膜厚、組成、不純物濃度等にばらつきが生じてしまい、面内で均一な成長を行うことができず、ひいてはデバイス特性のばらつきを大きくする要因となる。以上の理由により、ＧａＮ系自立基板の両面を鏡面に研磨加工することが望ましい。